LAMPIRAN F

PERANCANGAN REAKTOR KATALITIK DISTILATION (R-302)

(TUGAS KHUSUS)

F. 1

LAMPIRAN F

PERANCANGAN REAKTOR KATALITIK DISTILATION (R – 302)

(TUGAS KHUSUS)

Kode : R 302

Fungsi : Tempat mereaksikan bi-(hydroxyethyl) terephtalate

(BHET) sebanyak 5.262,65 kg membentuk Polyethilene

Terephthalate (PET) dengan bantuan Katalis Sb2O3

(Antimony Trioxide), sekaligus memisahkan produk PET

dengan Ethylenen glicol (EG)

Bentuk : Reaktor Fixed Bed yang digabung dengan kolom distilasi

Fasa : Cair- Gas

Tekanan : Vacuum (0,1 atm)

Suhu : 275 °C

Katalis : Sb2O3

Tujuan :

1. Menentukan bentuk reactor

2. Menentukan bahan konstruksi reaktor

3. Menghitung dimensi reaktor

Gambar F.1. Gambar Sederhana reaktor Destilasi

F. 2

Gambar, F.2, Potongan Reaktor Distilasi [(1) Vessel, (2)Distilation Tray, (3)

Katalis,(4), Screen, (5) Buble Cup, (6) Reaction Tray

1. Menentukan bentuk reactor

Dari patent diketahui reaksi yang terjadi yaitu reaksi polykondensasi

BHET menjadi PET yang menggunakan katalis Sb2O3 yang berbentuk

butiran-butiran sedangkan reaktan masuk reaktor pada fasa cair. Dari

kondisi ini maka reaktor yang dapat digunakan yaitu reaktor fixed bed.

Akan tetapi disini juga terjadi proses pemisahan produk samping dengan

proses distilasi. Dengan ketentuan ini maka reaktor yang digunakan

adalah reaktor distilasi yaitu penggabungan reaktor fixe bed dengan

menara distilasi. Kondisi operasi reaktor ini adalah suhu 275 °C dan

tekanan 0,1atm.

2. Menentukan bahan kontruksi reactor

Menurut Brownell hal 253, bahan konstruksi yang digunakan dalam

perancangan ini adalah Low alloy Steel SA-202 Grade B, karena :

a. Struktur kuat dengan allowable stress value sebesar 21250 psi dan suhu

maksimum 10000 F

F. 3

Polyethylene terphthalate (PET)

Ethylene glycol

b. Harga relatif murah

c. Banyak tersedia dipasaran

3. Menghitung dimensi reaktor

a. Neraca Massa disekitar reaktor 302

Basis : Kapasistas Produksi PET = 30.000 Ton/tahun

Basis perhitungan : 1 jam operasi

Hari kerja dalam satu tahun : 330 hari

Jam kerja dalam 1 hari : 24 jam

Kapasitas produksi PET : ton

kgx

jam

harix

hari

tahunx

tahun

ton

1

1000

24

1

330

1 000.30

: 3787,879 kg / jam

Persamaan reaksi yang terjadi pada reaktor 302

n HOCH2CH2OOC COOCH2CH2OH (n-1) HOCH2CH2OH

HOCH2CH2----OOC COOCH2CH2---OH

n

bi-(hydroxyethyl) terephtalate (BHET)

+

Reaktor 2 F 8 F 6

F 9

R

Dekanter

F 9 =

F. 4

Konversi BHET terhadap PET = 95 % (Patens no3.590.072)

Dari Perancangan produk PET yang dihasilkan = 3787,879 Kg/jam

= 0,14059 Kmol/jam

Dengan menggunakan metode perhitungan David M. Himmeblau pada bukunya

”Suplementary Problem for Basic Principles and Calculations in Chemical

Enginering 6th Edition”, 1996. halaman 59 -66.

Perhitungan Produk ;

BHET

PET = BHET x Kemurnian BHET x Konversi BHET x

BHETtryStoichiomeKoef

PETtryStoichiomeKoef .

0,14059 Kmol/jam = Mol BHET masuk x 1 x 0,95 x 140

1

Mol BHET Masuk = 20,72 Kmol/jam

Mol BHET Masuk = F6 + R

F6 = Mol BHET Masuk – R

F6 = 20,72 Kmol/jam – R ..............................(A.1)

Ethylene Glicol (EG)

EG = Mol BHET Masuk x Konversi x BHETtryStoichiomeKoef

EGtryStoichiomeKoef .

EG = 20,72 x 0,95 x 140

139

EG = 19,54 kmol/jam

EG = 1211,64 Kg/jam

F. 5

Naraca masa reaktan BHET pada reaktor 2

Masuk – Keluar + Geneation – Konsumsi = Accumulation

(F6+R) – (R) + 0 – (0,95 (F6 + R) = 0

F6 – 0,95 F6 – 0,95R = 0

0,05 F6 = 0,95 R ..........(A.2)

Persamaan (A.1) dengan (A.2) didapat

0,05(20,72 – R) = 0,95 R

R = 1,04 Kmol/jam

R = 263,13 Kg/jam BHET

Dari persamaan (A.1) didapat

F6 = 20,72 – R

F6= 20,72 – 1,04 Kmol/jam

F6 = 19,68 Kmol/jam

F6 = 4.999,52 Kg/jam

Perbandingan Recycle terhadap umpan;

mol

mol

F

R0528,0

68,19

04,1

6

kg

kg

F

R0528,0

52,4999

13,263

6

mol

mol

PET

R

produkmol

recyclemol4,7

1403,0

04.1

F. 6

Tabel F. 1 Neraca Masa Pada Reaktor 302

Komponen

Masuk (Kg/jam) Keluar (Kg/jam)

Aliran 6 R Aliran 9 Aliran 8

kmol/jam kg/jam kmol/jam kg/jam kmol/jam kg/jam kmol/jam kg/jam

BHET 19.68 4,999.52 1.04 263.13 1.04 263.13

EG 19.54 1,211.64

PET 0.1403 3787.878

Jumlah 19.68 4,999.52 1.04 263.13 19.54 1,211.64 1.18 4,051.01

Total 5,262.65 5,262.65

b. Neraca Energi di sekitar reaktor 302

Kondisi reaksi di reaktor adalah :

P = 0,1 atm

T = 275 oC (548 K)

T ref = 25 oC (298 K)

Dalam menghitung neraca energi di reaktor digunakan langkah perhitungan

seperti pada gambar berikut:

T in

ΔHumpan

ΔHR 298

ΔHproduk

ΔHtotalT out

Qtotal = ΔHtotal

F. 7

= ΔHumpan + ΔHR(298) + ΔHproduk

Menghitung Qumpan :

Qumpan BHET

Qumpan = m T

Tref

dTCp

TabelF.2, Konstata kapasitas panas BHET

A B C D

8,9007e+004 8,4639e+002 0 0

CP = A + BT + CT2 + DT

3 (Perry,1997)

Maka,

T

Tref

443322

ref )(4

)(3

)(2

B )T-A(T dTCp refrefref TT

DTT

CTT

Tref = 25 oC = 298 K

T = 275 oC = 548 K

Komponen Aliran 6 Aliran R

Laju total

(m) ∫Cp dT Q

Kg/jam) (kg/jam) (kmol/jam) (J/Kmol) (J/jam)

BHET 19,68313526 1,035954488 20,71908975 -111757493 -2315513518

Maka panas umpan masuk reaktor 302 adalah (-) 2 315 513,52 kJ/jam

F. 8

Polyethylene terphthalate (PET)

Ethylene glycol

Menghitung Qreaksi (ΔHR )

140 HOCH2CH2OOC COOCH2CH2OH 139 HOCH2CH2OH +

HOCH2CH2----OOC COOCH2CH2---OH

Jika disederhanakan lagi menjadi

ΔHR = ΣHR Produk – ΣHR reaktan

ΔHf(298) BHET = -442819 Btu/lbmol = -4.051,29 kJ/Kg (Perry,1997)

ΔHf(298) EG = -6318,9 kJ/kg

ΔHf(298) PET = -466.089,893 kJ/kg

Massa bereaksi:

EG = 1211,637569 kg/jam

PET = 3787,878788 kg/jam

BHET = 4999,516357 Kg/jam

Panas reaksi pembentukan 1211,64 Kg EG (298) selama1 jam reaksi adalah

= ΔHf(298) EG x Massa EG yang bereaksi

= - 6318.9 kJ/kg x 1211,64 kg

= - 7 656 216,637 KJ

Panas reaksi pembentukan 3787,88 Kg PET (298) selama1 jam reaksi adalah

= ΔHf(298) PET x Massa PET yang bereaksi

= - 466.089,893 kJ/kg x 3787,88 kg

bi-(hydroxyethyl) terephtalate (BHET) (l)

(l)

(g)

140

140 C12O6H14

(BHET)

+

139 C2O2H6

(EG)

C2O2H6 (C10O4H8)140

(PET)

F. 9

= - 1 765 492 020 KJ

Panas reaksi pembentukan 4.999,52 Kg BHET (298) selama1 jam reaksi adalah

= ΔHf(298) BHET x Massa BHET yg terbentuk

= - 4.051,29 kJ/Kg x 4.999,52 Kg

= - 20.254.505,38 KJ

Menghitung Qproduk

Qproduk = m T

To

dTCp

To = 298 K (25oC)

T = 548 K (275oC)

Tabel F.3. Kostata Kapasitas panas zat

Komponen A B C D E

EG 3.55E+04 4.37E+02 -1.85E-01 0 0

BHET 8.90E+04 8.46E+02 0 0 0

139 C2O2H6

(EG)

140 C12O6H14

(BHET)

417 H2

281O2

+

+

ΔHR(298) = -1.765.492.020 Kj

980 H2

420 O2

1680 C

+

ΔHR(298) = (140)x20.254.505,38 Kj

1402 C

+

ΔHR(298) = (139)x-7.656.216,64 Kj

563 H2

139O2

278 C

+

+

+

ΔHR(298) = 5.925.004,49Kj

C2O2H6 (C10O4H8)140

(PET)

140 C12O6H14

(BHET)

+

139C2O2H6

(EG)

C2O2H6 (C10O4H8)140

(PET)

F. 10

Tabel F.4, Kostata Kapasitas panas zat

Komponen

Lajumol ∫Cp dT Q

(Kmol/jam) (J/kmol) (J/jam)

EG 19.54254144 46564578.14 909990198

BHET 1.035954488 111757492.5 115775675.9

PET 0.140593823 54629400 7680556.212

Total 1033446430

Jadi panas produk yaitu (QProduk) = 1.033.446,430 kJ/jam

ΔH total = Qumpan + ΔHreaksi + Qproduk

= - 2.315.513,52 + 5.925.004,491+ 1.033.446,430 kJ

= 4.642.937,404 KJ

Dari perhitungan di atas dapat diketahui total panas reaksi 4.642.937,404 kJ.

Artinya reaksi bersifat endotermis. Untuk menjaga temperatur reaktor tetap

543 K (275 oC) , panas ini harus ditambahkan kedalam reaktor dengan proses

transfer panas dari steam.

Menghitung jumlah steam yang dibutuhkan:

T in = 350 oC (623 K)

T out = 300 oC (573 K)

Cp stem dT = 311,71 kJ/kg

m steam =

dT Cp

Q

OH2

F. 11

Polyethylene terphthalate (PET)

Ethylene glycol

=

Kg

kJ 311,71

jam

kJ 4044.642.937,

= 14.895 kg/jam

jadi dibutuhkan steam sebanyak 14895 kg dalam 1 jam operasi.

Tabel.F.5, Neraca energi RE-302

Panas masuk Panas keluar Panas reaksi

Panas

Generation ACC

Item (Kj) Item (KJ) Item (Kj) (Kj) (Kj)

H umpan

H trasfer

2.315.513,52

4.642.937,40

H produk 1.033.446,43

H R 5.925.004,49 0 0

Persamaan reaksi

x HOCH2CH2OOC COOCH2CH2OH (x-1) HOCH2CH2OH +

HOCH2CH2----OOC COOCH2CH2---OH

)(1k2

K

CCCr CB

AA ……………………………… (1)

k1 = 10,44 . L/Kmol min pada suhu 275 oC (Caspanelli,1994)

bi-(hydroxyethyl) terephtalate (BHET)

(l)

(l)

(g)

(A) (B)

(C)

140A (C) 139B + (l) (l) (g)

k1

k2

x

F. 12

2

1

k

kK = konstata kesetimbangan

A

ac

ca

b

B

C

CCK

)()( ……………………..(fogler,1999)

A

cB

C

CCK

1401

140139

)()(

V

molV

mol

V

mol

KA

cB 1401

140139

)()(

V

V

mol

molmolK

A

CB

1

1)()(

1401139

1401

140139

A

CB

mol

molmolK

1401

140139

)()(

1406,0

)543,19()036,1( 1401

140139

K

1406,0

058,1K

K = 7,525

Berdasarkan stoichiometry dengan kondisi isotermal

)1(

)1(

X

XCC AoA

………………(1.1)

)1(

)(

140

1

X

XCC Ao

c

……………….(1.2)

oo

Ao

BT

T

P

P

X

XCC

)1(

)(

140

139

………………(1.3)

Sehingga persamaan (1) menjadi

F. 13

))1(

)(

140

1

)1(

)(

140

139

)1(

)1((1k

2

K

X

XC

T

T

P

P

X

XC

X

XCr

Ao

oo

Ao

AoA

X

KT

T

P

P

X

CAoX

X

XCkr

oo

AoA

1

)140(

139

)1(

)(

)1(

)1(1)(

2

22

KT

T

P

P

X

XX

X

CAokr

oo

A

1

)140(

139

)1()1(

)1(1)(

2

22

2

………….(2)

Neraca Massa

Neraca massa A pada elemen volume pada keadaan stedystate:

(Rate of mass input) – (Rate of mass output)+ (Rate of mass generation) =

(Rate of mass accumulation)

0 ΔW r)(F )(F AAA WWW ……………… (3)

W

W-W)(W F r AA

……………. (4)

dW

dF)( A Ar …………(5) persamaan 1-14 fogler

dW

dF)( A Ar

waktu

AmolcatalystofmassWrA )(.

Catalyst)of(masswaktu

Amol)(

D

ΔW

W+ΔW

W

FA(W+ΔW)

FA(W )

Gambar F.3. Elemen Volum Reaktor

F. 14

FA = FA0 (1- xA) = CAovo

dW

)1(dF)(

A Ao

A

Xr

dW

dX)( A

AoA Fr ……………(6)

Persamaan (2) dengan (6) menjadi

KT

T

P

P

X

XX

X

CAok

dW

dXF

oo

A

Ao

1

)140(

139

)1()1(

)1(1

2

22

2

KT

T

P

P

X

XX

X

CAok

dW

dXvC

oo

A

oAo

1

)140(

139

)1()1(

)1(1

2

22

2

2

KT

T

P

P

X

XX

X

CAo

v

k

dW

dX

ooo

A 1

)140(

139

)1()1(

)1(

12

22

2 ……………(7)

Untuk kasus reaktor packed bed berlaku persamaan ergun (Bird, 1960)

75,1)-150(1

)-1

(G

- dh

dP3

G

DDg ppc

………………(8)

Dengan :

P = tekanan (lb/ft2)

h = tinggi tumpukan katalis (ft)

gc = 32,174 lbm.ft/h2. Lbf (conversion factor)

= 4,17 x 108 lbm ft/h

2.lbf

Dp = diameter katalis pada bed (ft)

Ф = porosity = bed volumetotal

(kosong) udara volumetotal

1 - Ф = bed volumetotal

katalis volumetotal

µ = viscosity gas yang melewati bed (lbm/ft.h)

F. 15

G = ρυ = superficial mass velocity (g/cm2.s) atau (lbm/ft

2. H)

ρ = gas density (lb/ft3)

υ = supervicial velocity = volumetric flow/ luas area pipe (ft/h)

karena kondisinya stedy state maka lajua alir massa keluar reaktor (m)sama

dengan lajua alir massa keluar reaktor (mo)

mmo

oo

o

o

T

To

o

o

oF

F

T

T

P

P

Sehingga,

T

To

o

o

o

o

o

F

F

T

T

P

P

To

To

o

o

F

F

T

T

P

P

1 …………………………..(9)

Persamaan (8) dan (9) menjadi

75,1)-150(1

)-1

(1

G-

dh

dP3

GD

Dg

F

F

T

T

P

Pp

pc

To

To

o

o

To

To

oppco F

F

T

T

P

PG

DDg

75,1

)-150(1)

-1(

G-

dh

dP3

To

To

o F

F

T

T

P

P

-

dh

dPo ……………………………………(10)

F. 16

Dimana, 75,1)-150(1

)-1

(G

3o

G

DDg ppco

Massa katalis = Volume katalis x density katalis

W = (1-Ф)Ac Z x ρc

h = )Ac-(1c

W

)Ac-(1c

dW

dZ …………………………..(11)

Persamaan (10) dan (11) menjadi

To

To

o F

F

T

T

P

P

-

)Ac-(1c

dW

dPo

To

To

o F

F

T

T

P

P

)Ac-(1c

dW

dP o

P)Ac-(1c

2

o

o

To

To

o

o

F

F

T

T

PP

P

2

dW

dP

)1( 2

dW

dPX

T

T

PP

P o

o

o

…………….(12)

dimana To

T

F

F = )1( X

P)(X, F dW

dP2

KT

T

P

P

X

XX

X

CAo

v

k

dW

dX

ooo

A 1

)140(

139

)1()1(

)1(

12

22

2 ……….(7)

F. 17

P)(X, F dW

dX1

Asumsi Kondisi opersi Isotermal To = T

Untuk kondisi isothermal 0

Maka persamaan (12) dapat disederhanakan menjadi

o

o

PP

P

2

dW

dP

dW

)d(P/P2 o

oP

P

dW

)2d(P/Po

W 1

2

oP

P

1/2 W) 1(

oP

P

P)Ac-(1c

2

o

o

W = (1-Ф)Ac Z x ρc

1/2

o

c))Z)Ac-(1 P)Ac-(1c

o2 1(

oP

P

2/1

oP

Zo2 1

oP

P…………………………(13)

75,1)-150(1

)-1

(G

3o

G

DDg ppco

Karena isotermal, maka persamaan (7) menjadi

F. 18

KP

PXX

CAo

v

k

dW

dX

oo

A 1

)140(

139

)1()1(

)1(

12

22

2…….(14)

Persamaan (13) & (14)

KXX

v

Ck

dW

dXAA

o

AoA 1

P

Zo2 1

)140(

139)1(

12/1

o

2

22 ………..(15)

Missal K

M1

P

Zo2 1

)140(

1392/1

o

2

22)1(1

AA

o

AoA XMXv

Ck

dW

dX

222)21(1

AAA

o

AoA XMXXv

Ck

dW

dX

12)1(1 2

AA

o

AoA XXMv

Ck

dW

dX

o

AoA

AAv

Ck

dW

dX

XXM

1

12)1(

12

dWv

CkdX

XXM o

Ao

A

AA

1

12)1(

12

dWv

Ck

XXM

dX

o

Ao

AA

A

XA1

)12)1(2

0

………………….(16)

Menghitung nilai h

Dari persamaan (13) didapat

)(1o2

P 2o

oP

Ph

Menghitung nilai βo

F. 19

75,1)-150(1

)-1

(G

3o

G

DDg ppco

µ = viscosity gas/uap yang melewati bed (lbm/ft.h)

Komponen

Laju masa

(Kg/jam)

Laju mol

(Kmol/jam) A B C

D

EG 4067.85 65.610484 8,6706 10-8

0,83923 75,512 0

T = 275 oC = 548 K

Viscositas uap (pascal/s) =

2

B

1

A.T

T

D

T

C

0548

512,751

(548))(8,6706.10 0,83923-8

1378,01

1,724.10 -5

510.515,1 pascal/s = 1,515 . 10-5

kg/m s = 1,515 . 10-2

cp = 0,3164 .10-8

lbf.s/ft2

G = ρυ = superficial mass velocity (g/cm2.s) atau (lbm/ft

2. H)

ρ = gas density (lb/ft3)

υ = supervicial velocity = volumetric flow/ luas area pipe (ft/h)

Menghitung gas density

Komponen Laju masa Laju mol Xi Tc Pc Tc.Xi Pc.Xi

EG

4067.85 65.61048

4 0,9667 446,85 83,09 31,98818 12,37376

F. 20

a. Menentukan volume specific (Vs) uap

Suhu operasi = 275 0C = 548

0K

Tekanan operasi = 0,001 atm

Menentukan harga Z

Tr = T/Tc

Pr = P/Pc

Dimana Tc = Suhu kritis (0Kelvin)

Pc = Tekanan kritis (atm)

Tc campuran = Tci . Xi

40942,36

543Tr = 14,9137

5236,13

7Pr = 0,5176

Berdasarkan gambar 3-11 Smith dan Van Ness edisi 3, maka Z diselesaikan

dengan menggunakan persamaan matematis.

Z = 1 + TrTcR

PcB Pr

.

.

Dimana TcR

PcB

.

. = B

0 + B

1

B0 = 0,083 -

6,1

422,0

Tr

= 0,083 - 6,114,9137

422,0

= 0,083 – 0,005592

= 0.0774

F. 21

B1 = 0,139 -

2,4

172,0

Tr

= 0,139 - 2,414,9137

172,0

= 0,139 - 0,00000203

= 0,13899797

= asentrical factor dapat dilihat pada Appendix B Smith dan Van Ness 3th

Edition

Komponen Fraksi mol (Xi)

EG 1 0,487

jadi

= 0,484

B0 + .B

1 = 0.0774+ (0,487. 0,13899797)

= 0,145

Z = 1 + TrTcR

PcB Pr

.

. Dimana

TcR

PcB

.

. = B

0 + B

1

Z = 1 + 0,145 (0,5176/14,9137)

= 1,005

Vs = P

ZRT

= atm

KxKkgmol

atmmxx

1,0

548)10057,82(005,1 33

= 45 1,92072 m3/kgmol

F. 22

b. Menentukan berat jenis uap dan padatan

Berat jenis uap (v)

Komponen Fraksi mol (Xi) BM

EG 1 62

BM uap = 62 kg/kmol

uap = BM /volume spesifik uap

= 62 kg/kmol/45 1,92072 m3/kmol

= 0, 1372 kg/m3

Menghitung supervicial velocity

a. Laju alir volumetric uap/gas

Massa uap = 4108,5285 Kg/jam

Laju alir Volumetric uap = massa uap/densitas uap

=

31372,0

)(5285,4108

mkg

jamkg

= 29.947,2446 m3/jam

b. Luas permukaan pipa

4

2DA

asumsi D = 2 m

4

)2(14,3 2

A

A = 3,14 m2

Supervicial velocity (υ ) = permukaanLuas

uapvolumetrikalirlaju

F. 23

Supervicial velocity (υ ) = 2

3

14,3

46,2994724

m

jamm

Supervicial velocity (υ ) = jam

m9044,953733

G = ρυ

G = 0, 001372 kg/m3.

jamm9044,953733 =1 308,52 kg/m

2 jam

Menghitung porositas

Data katalis

Katalisator yang digunakan adalah Sb2O3 dengan spesifikasi sebagai berikut :

Nama katalis : Antimony

Bentuk katalis : Butiran

Diameter partikel katalis rata-rata (Dp) : 8 mm (patent 3431243)

Porosity (Ф) : 0,8

1 - Ф = bed volumetotal

katalis volumetotal

75,1)-150(1

)-1

(G

3o

G

DDg ppco

jam kg/m48,130810.8

s kg/m 10 . 1,515)8,0-150(1)

8,0

8,0-1(

10.8

jam kg/m308,481 2

3

-5

33

2

o

mmg co

gc= 4,17 x 108 lbm ft/h

2.lbf

gc= 4,17 x 108 lbm ft/h

2.lbf

2/4482,4

1.

2808,3

1.

45359,0

skgm

lbf

ft

m

lbm

kg

gc = 0,1296 . 108 s

2/jam

2

F. 24

jam kg/m48,13081

3600 s kg/m 68125,5

10.8 /jams 10 . 0,1296

jam kg/m63,890625 2

3228

2

o

jam

s

mmo

Tabel F.6, komposisi umpan masuk reactor (pada saat t=0 s)

Komponen

Laju mol

(Kmol/jam)

fraksi mol

(x) A B C

Pi

(atm)

ΣxPi

(atm)

BHET 19.68314 0,9957 0 0 0 0 0

H2O 0.084175 0,0043 18,304 3816,4 -46,13 58,342 0,251

Total 19.76731 1 0,251

T = 548 K

exp

CT

BAPi

)13,46548(

4,3816304,18exp2

OHP

6996,10expoP

90,44339oP mmHg

Po = 58,342 atm

Po = Σ ii xP

Po = 0,251 atm = 0,254. 105 Kg/ms

2

Menghitung densitas (ρo)

Komponen Tc (K) Pc (bar)

H2O 647,1 220,55 0,345

F. 25

Menentukan volume specific (Vs) uap

Suhu operasi = 275 0C = 548

0K

Tekanan operasi = 0,001 atm

Menentukan harga Z

Tr = T/Tc

Pr = P/Pc

Dimana Tc = Suhu kritis (0Kelvin)

Pc = Tekanan kritis (atm)

1,647

548Tr = 0,847

55,220

001,0Pr = 0,00000459

Berdasarkan gambar 3-11 Smith dan Van Ness edisi 3, maka Z diselesaikan

dengan menggunakan persamaan matematis.

Z = 1 + TrTcR

PcB Pr

.

.

Dimana TcR

PcB

.

. = B

0 + B

1

B0 = 0,083 -

6,1

422,0

Tr

= 0,083 - 6,10,847

422,0

= 0,083 – 0,5504

= -0,467

B1 = 0,139 -

2,4

172,0

Tr

F. 26

= 0,139 - 2,40,847

172,0

= 0,139 - 0,345

= -0,2065

jadi

= 0,345

B0 + .B

1 = -0,467+ (0,345. (-0,2065))

= -0,538

Z = 1 + TrTcR

PcB Pr

.

. Dimana

TcR

PcB

.

. = B

0 + B

1

Z = 1 + (-0,538) (0,00000459/0,847)

= 1,000003

= 1

b. Menentukan volume spesifik uap (Vs)

Vs = P

ZRT

= atm

KxKkgmol

atmmxx

1,0

548)10057,82(1 33

= 44 9,67236 m3/kgmol

Tabel F.7, komposisi umpan masuk reactor (pada saat t=0 s)

Komponen

Laju massa

(Kg/jam)

fraksi

massa (w) BM

ρ

(kg/m3)

ρwi

(kg/m3)

BHET 4999.516 0,9997 254 355,758 355,65

H2O 1.515152 0,0003 18 2498,18 0,75

Total 5001.032 1 356,4

F. 27

jadi

3o 4,356m

kg

Maka,

jam kg/m98,2176010.8 /jams10 . 0,1296kg/m 356,4

jam kg/m63,890625 2

32283

2

om

22

o /555,3762 smkg

Jadi

)(1o2

P 2o

oP

Ph

)10.254,0

325,101(1

)m/kg555,37622.(

kg/ms 10.0,254 2

522

25

sh

mh 375,3

Menghitung nilai M

KM

1

P

Zo2 1

)140(

1392/1

o

2

525,7

1

mskg

.100,254

m 3,375sm

kg3762,5552

1)140(

139

2/1

25

22

2

M

525,7

10,010500709,0M

0000099,0M

M = 0

Dengan demikian persamaan (16) menjadi

P = 0,001 atm= 101,325 kg/ms2

Po = 0,251 atm = 0,254. 105 Kg/ms2

F. 28

dWv

Ck

XX

dX

o

Ao

AA

A

XA1

)12)01(2

0

dWv

Ck

XX

dX

o

Ao

AA

A

XA1

)12(2

0

dWv

Ck

X

dX

o

Ao

A

A

XA1

)1( 2

0

Missal Y = XA-1

1AdX

dY

dY = dXA

Sehingga,

dWv

Ck

Y

dY

o

Ao

y1

2

0

dWv

CkdYY

o

Ao

y1

0

2

Wv

CkY

o

Ao1

)12(

1 )12(

Wv

Ck

Y o

Ao11

Wv

Ck

X o

Ao

A

1

)1(

1

Wv

Ck

X o

Ao

A

1

)1(

1

)1(1 AAo

o

XCkW

F. 29

)95,01()5,10()min

.44,10(

min60

1.032,5001

Lkmol

kmolL

jam

jamKg

W

W = 15 Kg

Vkatalis = )(

)(

katalis

katalis

Densitas

WmasaVk

3/67,5

15

mKg

kgVk

Vk = 2,6455 m3

Vk = A h

ZD

Vk4

2

mD

m 375,34

14,36455,2

23

D = 1 m. (nilai d tidak sama dengan nilai D asumsi, maka harus dilakukan triel

sampai didapatkan nilai D sama dengan nilai D asumsi)

iterasi nilai D

asumsi D 1.686093576

G 1841.10254

βo 6270.375736

h 2.025396967 m

W 15.20717631 Kg

Vk 2.682041677 m3

D 1.686885907 Hasil iterasi

D-D0 0.000792332 Selisih

Setelah dilakukan traiel dengan menggunakan program solver, didapat nilai

F. 30

D = 1, 69 m. jadi diameter kolom bed = 1,69 m = 429,26 in

Menentukan masa degradasi katalis (waktu pertukaran katalis)

Pada patent 2465319 dinyatakan bahwa katalis (antimony) yang dibutuhkan

yaitu 0,025%-0,1% berat PET. Dari ktenetuan ini diambil rata-rata jumlah

katalis yang dibutuhkan yaitu

Rata-rata jumlah katalis yang dibutuhkan

2

minimumjumlah maksimumJumlah

2

%025,00,1%

2

%250,1

beratPET%0625,0

jamKgx /88,3787%0625,0

jamKg /367,2

s

jam

jam

Kg

3600

1367,2

sKg /0006576,0

min/04,0 kg

Waktu pertukaran katalis = katali degradasilaju

katalis massa

=

minkg

0,04

kg 15,207

= 380 min

= 6 jam 33 menit

F. 31

= 6, 5 jam

kV

V F= Space velocity (SV)

SV = kV

V F=

3

3

m

kgmol

m

jam

kgmol

SV = τ

1 =

kV

V F

3

3

2,68m

)kmol

m(1,1 jam

kmol20,8

τ

1

jam53,8

τ

1

τ = 0,117 jam

Menghitung Tebal Dinding Reaktor

Tebal shell dihitung dengan persamaan 13.10 Brownell & Young :

C0,6p fE

prits

Dengan

ts = tebal shell, inchi

p = tekanan desain reaktor, psi

E = efisiensi pengelasan

ri = jari-jari dalam shell, inchi

f = tensile strength, psi

p = tekanan dalam shell

C = corrosion allowanced

Menghitung tekanan desain :

F. 32

Menghitung tekanan desain dengan factor keamanan 20%:

pd = 1,2x Pdesain

= 1,2 x 0,015

= 0,018 psi

Spesifikasi bahan yang digunakan Hastelloy Tipe A 517 F (Tabel 23.7 Perry

6th

, 1984).

Tensile strength (f) = 33730 psi

Efisiensi sambungan (E) = 0,75 (Single welded butt joint without

backing strip)

Corrosion allowanced = 0,125 in

ts = 0,018) x 0.6 - 0.75 x 33730 (

x29.6650,018 + 0,125

= 0,125 in

ts = 1/8 in

Dari data, diketahui dimensi yang tersedia di pasaran ketebalan yang paling

rendah yaitu 3/16 in. maka disini diambil plate dengan ketebalan 3/16 in.

Dari Tabel 5.7 Brownell diperoleh :

Radius pojok head (icr) = 416

7=4,4375

Radius head ( r ) = 180

Menghitung Stress-intensification factor for torispherical dished heads

5.0

34

1Wicr

r (Pers. 7.76 Brownell &Young, 1959)

5.0

4375,41803

41W

F. 33

W = 2,3422

Menghitung Tebal dan Diameter Bottom Reaktor

Digunakan Torispherical Dished (Tekanan operasi > 200 psi)

Tebal bottom dihitung dengan persamaan :

C0,2P2fE

P.r.Wt h

(Pers. 7.77 Brownell &Young, 1959)

125,0018,00.20.75337302

2,3422081 0,018t h

th = 0,125 in

dipilih tebal standar = 3/16 in

Keterangan :

th = Tebal vessel, inchi

p = Tekanan desain reaktor, psi

E = Efisiensi pengelasan, 0,75

d = Diameter dalam shell, inchi

f = Tensile strength, psi

C = Corrosion allowanced, 0,125 in

V = Stress-intensification factor

Dari Tabel 5.7 B & Y untuk OD = 30 in dan th = 3/16 in :

icr : inside radius corner = 1 7/8 in

r : radius dish = 30 in

Dari Tabel 5.8 B & Y untuk th = 3/16 in

sf : straight flange = 2 in = 0,0508 m,

sehingga

F. 34

Diameter Bottom = OD + 24

OD + 2 sf + 2/3 irc (Persamaan 5.12 B & Y,

1959)

= 35,5 in = 0,9017 m

Spesifikasi Bottom :

t

a

ID

r

sf

OA

icr

B

b=depth

of dish A

OD

C

Gambar.F.4. Spesifikasi bottom

Keterangan :

th = Tebal bottom (in)

icr = Inside corner radius ( in)

r = Radius of dish( in)

sf = Straight flange (in)

OD = Diameter luar (in)

ID = Diameter dalam (in)

b = Depth of dish (in)

OA = Tinggi bottom (in)

F. 35

Menghitung Spesfikasi bottom :

Depth of dish (b)

22

2icrIDicrrcrcb

(Brownell and Young, 1959.hal.87)

= 4,8678 in

Tinggi bottom (OA)

OA = th + b + sf

= (3/16 + 4,8678 + 2) in

= 7,0553 in

= 0,1792 m = 0,5879 ft

Tinggi kolom yang dibutuhkan sebagai tempat umpan reaktan pada kolom fixed

bed adalah (ho):

(ho) = A

tvo

vo = Lajua alir volumetric umpan reaktan

t = waktu tinggal reaktan

A = Luas penampang kolom fixed bed

Katalis Gambar F.5. Komposisi dalam fixed bed

Reaktan (vo)

Produk (v)

F. 36

4

)69,1(

117,0./032,142

3

m

jamjammho

ho = 0,724 m

Tinggi kolom yang dibutuhkan sebagai tempat produk reaksi pada kolom fixed

bed adalah (hp):

A

tvhp

.

vo = Lajua alir volumetric produk reaksi

t = waktu tinggal

A = Luas penampang kolom fixed bed

4

)69,1(

117,0./505,32

3

m

jamjammhp

hp = 0,1829 m

Menghitung Tinggi fixed bed Reaktor

Tinggi Reaktor = Tinggi kolom bed katalis + tinggi kolom reaktan + tinggi

kolom produk +tinggi bottom

= 2,0254 m + 0,724 m + 0,1829+ 0,1792 m

= 3,111 m

B. Kolom Distilasi

Fungsi : Memisahkan produk utama Polyethylene terephtalate (PET) dari

produk samping ethylene glikol

Penentuan Tipe Kolom Distilasi

F. 37

Dalam perancangan menara distilasi ini dipilih jenis Tray dengan

pertimbangan diameter kolom lebih dari 2 ft (Ulrich, 1984). Sedangkan jenis

Tray yang digunakan adalah Sieve Tray dengan pertimbangan :

1) Pressure drop rendah dan efisiensi tinggi

2) Lebih ringan dan murah karena pembuatannya lebih mudah

3) Biaya perawatan murah karena mudah dibersihkan.

Penentuan Bahan Konstruksi :

Dipilih bahan konstruksi jenis Stainless steel Grade SA-240 tipe 304 dengan

pertimbangan :

1) Mempunyai allowable stress yang besar

2) Struktur kuat

3) Harga yang relatif lebih murah

Asumsi-Asumsi Yang Digunakan Pada Perancangan Menara Distilasi

Asumsi-asumsi yang digunakan pada perancangan menara distilasi ini adalah

sebagai berikut :

1. Fase cair dianggap sebagai larutan ideal.

2. Fase uap dianggap sebagai gas ideal.

3. Pada setiap plate terjadi keseimbangan fase uap-cair.

4. Tidak ada panas yang masuk dari atau ke lingkungan.

5. Penurunan tekanan tiap plate tetap.

6. Panas pencampuran dan panas pengenceran diabaikan.

F. 38

Pada perancangan ini digunakan kondensor total, dimana uap masuk pada dew

point. Untuk kondensor total, komposisi uap yang terembunkan sama dengan

komposisi uap yang masuk.

Pada bagian bottom digunakan jaket pemanas, dimana hanya sebagian cairan

yang teruapkan. Hal ini dipilih karena proses transfer panas yang dibutuhkan

tidak ter lalu besar yaitu manaikan suhu dari 270 menjadi 275 oC.

Data – Data Yang Dipergunakan Dalam Perancangan Menara Distilasi

1) Data Tekanan Uap

Tekanan uap didekati dengan persamaan dari Perry 1997. Persamaan yang

digunakan adalah sebagai berikut :

Esat DTTln . C

T

BAexpP ………………(C.94)

Keterangan :

A, B, C, D, E = konstanta tekanan uap

T = temperatur absolut, K

Psat

= tekanan uap, Pa

Tabel.F.8, Data Tekanan Uap.

Komponen A B C D E

H2O 72,55 -7206,7 -7,14 4,05.10-6

2

EG 84,09 -10411 -8,1976 -1,6536.10-18

6

BHET 187 -2,54.104 -21,2 2,23.10

-18 6

(Perry 1997)

F. 39

2) Data Viskositas

Viskositas didekati dengan persamaan dari Perry 1997. Persamaan yang

digunakan adalah sebagai berikut :

EDTTln . C

T

BA expμ ………………(C.95)

Keterangan :

µ

= viskositas

A, B, C, D, E = konstanta viskositas

T = temperatur absolut, K

Tabel F.9. Data Viskositas.

Komponen A B C D E

H2O -51,964 3670,6 5,7331 -5,35.10-29

10

EG -293,07 17494 40,576 0 0

(Perry,1997)

Viskositas campuran dihitung dengan persamaan Coulson 8.11 volume 6 :

i

i

m

www

2

2

1

11 ………………(C.96)

Keterangan :

μm = viskositas campuran

w1, w2, wi = fraksi massa komponen 1, 2 dan i

μ1, μ2, μi = viskositas komponen 1, 2 dan i

3) Data Panas Laten

Panas laten didekati dengan persamaan 4.13 Smith :

F. 40

0,38

rn

r2

n2T1

T1ΔHΔH

………………(C.98)

Keterangan :

ΔH2 = entalpi penguapan pada T tertentu

ΔHn = entalpi penguapan pada T boiling point

Tr = temperatur reduksi, dimana Tr = cT

T

Tabel F.10. Data temperatur kritis, tekanan kritis dan panas laten saat

boiling point.

Komponen Tc (K) Pc (bar) Tn (k) n (Kj/kg)

H2O 647,20 221,182 373 2256.83

EG 719 82 470,3 846.0124

(Perry,1997)

Langkah – Langkah Perhitungan Menara Distilasi

1. Menentukan Kondisi Operasi Menara Distilasi

Dalam perhitungan kondisi operasi menara distilasi MD-301 ditetapkan :

Temperatur bawah kolom (bottom) = 195oC.

Asumsi Pressure drop per tray = 7 mmHg (0,0092 atm)

a. Menghitung bubble point bottom

Trial P → Ki = P

Psat

→ i = HK

i

K

K →

ii xα

1= KHK → P kondisi operasi

F. 41

ii xα

1≠ KHK → Ulangi trial P

Temperatur = 195oC = 468,15 K

P trial = 32440 Pa = 0,3202 atm

Hasil trial untuk menentukan kondisi bottom tertera pada Tabel C.60

berikut.

Dari Trial didapat :

KHK = ii xα

1 =

0071,1

1= 0,9929

T = 516.18 K = 243,18 o

C

Komponen kg/jam Kgmol/Jam Xi Po K, Po/P

Y,

K*Xi α

EG 1211.64 19.52054132 0.2794 2718.1282 3.5765 0.9994 2718.1282

BHET 263.13 14.6021 0.2090 1.0000 0.0013 0.0003 1.0000

PET 3787.88 35.7347 0.5115 1.0000 0.00132 0.0007 1.0000

5262.65 69.85736707 1.0000

1.0003

b. Menghitung bubble point feed

Trial T → Ki = P

Psat

→ i = HK

i

K

K →

ii xα

1= KHK → T kondisi operasi

ii xα

1≠ KHK → Ulangi trial T

F. 42

T trial = 141,6551 oC = 414,8051 K

Tekanan = 25507,24 Pa = 0,2517 atm

Hasil trial untuk menentukan kondisi bubble feed tertera pada Tabel C.61

berikut.

Tabel F.11. Hasil trial untuk menentukan kondisi bubble umpan.

Komponen kgmol/jam xi Psat

(Pa) Ki

H2O 1,5768 0,0177 378375,0159 14,8340

C3H8O2 LK 82,6479 0,9261 20066,4389 0,7867

C6H14O3 HK 4,6875 0,0525 4415,0123 0,1731

C9H20O4 0,3272 0,0037 1423,6875 0,0558

Total 89,2394 1,0000

Tabel F.12 Kondisi bubble Umpan

Komponen αi αi. xi yi

H2O 85,7019 1,5143 0,2621

C3H8O2 LK 4,5450 4,2093 0,7286

C6H14O3 HK 1,0000 0,0525 0,0091

C9H20O4 0,3225 0,0012 0,0002

Total 5,7774 1,0000

KHK = ii xα

1 =

7774,5

1= 0,1731

c. Menghitung dew point top

Trial : T → Ki = P

Psat

i =

HK

i

K

K→

HK

i

i Kα

y

→ T kondisi operasi

F. 43

HK

i

i Kα

y

→ Ulangi trial T

T trial = 139,3031 oC = 412,4531 K

Tekanan = 18574,474 Pa = 0,1833 atm

Hasil trial untuk menentukan kondisi top tertera pada Tabel C.62 berikut.

Tabel F.13. Hasil trial untuk menentukan kondisi dew point top.

Komponen kgmol/jam yi Psat

(Pa) Ki

H2O 1,5768 0,0187 354080,8639 19,0628

C3H8O2 LK 82,5653 0,9810 18262,9488 0,9832

C6H14O3 HK 0,0235 0,0003 3996,4182 0,2152

C9H20O4 0,0000 0,0000 1279,5716 0,0689

Total 84,1656 1,0000

Tabel F.14 Kondisi dew point top

Komponen αi yi αi. xi

H2O 88,5996 0,0002 0,0010

C3H8O2 LK 4,5698 0,2147 0,9977

C6H14O3 HK 1,0000 0,0003 0,0013

C9H20O4 0,3202 0,0000 0,0000

Total 0,2152 1,0000

i

iHK

α

yK = 0,2152

F. 44

2. Pengecekan Distribusi Komponen Dengan Metode Shiras

Suatu komponen terdistribusi atau tidak ditentukan dengan menggunakan

persamaan Shiras (Treybal, 1980) :

Persamaan Shiras :

Fx

.Dx

1α

αα

Fx

.Dx

1α

1α

.Fz

Dx

FHK,

DHK,

LK

iLK

FLK,

DLK,

LK

i

iF

iD.

………………(C.99)

Komponen i terdistribusi jika :

0,99FZ

Dx0,01

iF.

iD

Komponen i tak terdistribusi jika :

1,01FZ

Dxatau0,01

FZ

Dx

iF

iD.

iF.

iD

Relatif volatilitas rata-rata dapat diketahui dengan menggunakan persamaan

(Geankoplis, 1993):

bottomtopavg ………………(C.100)

Keterangan:

αavg = relatif volatilitas rata-rata

αtop = relatif volatilitas pada distilat

αtop = relatif volatilitas pada bottom

F. 45

Tabel F.15. Menentukan distribusi komponen.

Komponen ziF . F xiD.D αi,avg

Keterangan

H2O 1,5768 1,5768 62,0087 18,6025 tidak terdistribusi

C3H8O2 LK 82,6479 82,5653 4,2608 0,9990 terdistribusi

C6H14O3 HK 4,6875 0,0235 1,0000 0,0050 terdistribusi

C9H20O4 0,3272 0,0000 0,3393 -0,1964 tidak terdistribusi

Total 89,2394 84,1656

Berdasarkan tabel di atas terlihat pemilihan komponen light key dan heavy key

sudah benar.

Sehingga dari hasil perhitungan di atas dapat diketahui bahwa:

Light key = Ethylene glikol

Heavy key = Polyethylene terephtalate (PET)

Produk atas = Ethylene glikol 100%

Komponen tak terdistribusi = Air dan Polyethylene terephtalate (PET)

Menghitung Jumlah Plate

Blok diagram Reaktor Katalitik Distilasi dapat dilihat pada gambar di bawah

ini :

Gambar F.5. Reaktor Distilasi

F .z

D .x

iF

iD

Menara Distilasi

Reaktor Fixed Bed

F. 46

1). Penentuan suhu umpan

Ditentukan dengan trial T sehingga yi =1

Konstanta Antoine

komponen A B C

BHET 0 0 0

Ethylene glicol 20,25 6022,2 -28,25

PET 0 0 0

Tekanan uap

Tekanan uap tiap komponen dapat dihitung dari persamaan Antoine,

Fraksi mol (xi)

lumpan tota mol

komponen umpan molix

Ptot

PiiK

ii xK iy

Keterangan :

Po = Tekanan uap jenuh (mmHg)

Pi = Tekanan parsial (atm)

T = Temperatur (K)

A, B, C = Konstanta Antoine

C T

B A P

o

ln

F. 47

α = Volatilitas relatif

D = Distilat

B = Bottom

Ki = Faktor K komponen i

xi = Fraksi mol cairan

yi = Fraksi mol uap

Dari Trial didapat :

T = 516.18 K = 243,18 o

C

Komponen kg/jam Kgmol/Jam Xi Po K, Po/P

Y,

K*Xi α

EG 1211.64 19.52054132 0.2794 2718.1282 3.5765 0.9994 2718.1282

BHET 263.13 14.6021 0.2090 1.0000 0.0013 0.0003 1.0000

PET 3787.88 35.7347 0.5115 1.0000 0.00132 0.0007 1.0000

5262.65 69.85736707 1.0000

1.0003

2). Penentuan suhu atas

Ditentukan dengan trial T dew sehingga xiD =1

Dari Trial didapat :

P = 0.001 atm dan T = 321.67 K = 48.67 oC

Komponen kg/jam Kgmol/Jam Yi Po K, Po/P X, Yi/K α

EG 1211.6 19.520541 1.0000 0.7600 1.0000 1.0000 0.7600

BHET 0 0 0.0000 1.0000 1.3158 0.0000 1.0000

PET 0 0 0.0000 1.0000 1.3158 0.0000 1.0000

1211.6 19.520541 1.0000

1.0000

3). Penentuan suhu bawah

Ditentukan dengan trial T bubble sehingga yiB=1

F. 48

Dari Trial didapat :

P = 0.001 atm dan T = 321.39 K = 48.39 oC

Komponen kg/jam Kgmol/Jam Xi Po K, Po/P

Y,

Xi*K α

EG 1211.6 19.520541 0.9437 0.7457 0.9812 0.9259 0.7457

BHET 263.13 1.0359449 0.0501 1.0000 1.3158 0.0659 1.0000

PET 3487.9 0.1294588 0.0063 1.0000 1.3158 0.0082 1.0000

4962.7 20.685945 1

1.0000

4). Pemilihan Key Component

Pemilihan Key Component

Light key component = Ethylene Glicol

Heavy key component = PET

Cek distributted dan non-distributted component

Persamaan Shiras et. al

Fz

Dx

Fz

Dx

Fz

Dx

hkF

hkD

lk

jlk

lk

lk

lk

j

JF

JD

.

.

1.

.

1

1

.

.

jika :

01,0.

.

Fz

Dx

JF

JD atau 01,1.

.

Fz

Dx

JF

JD maka komponen j tidak terdistribusi

- 99,0.

.01,0

Fz

Dx

JF

JD maka komponen j terdistribusi

jika :

F. 49

Fz

Dx

lk

lk

lk

j

.

.

1

1

= R kiri ;

Fz

Dx

hkF

hkD

lk

jlk

.

.

1

= R kanan

Fz

Dx

JF

JD

.

. = R

Dengan :

α atas = HK

ATAS

Ki

Ki

α bawah =HK

BAWAH

Ki

Ki

α rata-rata = bawah .α atas α

didapat :

Komponen

alfa-

distilat

alfa-

bottom

Alfa-

average R Keterangan

Ethylene Glicol 0.76 0.7457 0.753 1 Tdk Terdistribusi (LK)

BHET 1 1 1 0 Terdistribusi (HK)

PET 1 1 1 0 Terdistrubusi (HK)

Penentuan Reflux Minimum

Penentuan reflux minimum ditentukan dengan persamaan Underwood

q

x

i

Fii 1

umpan pada cair jenuh q = 1

sehingga :

0

i

Fii x

Dari persamaan Underwood

F. 50

1

Rm

x

i

Dii

-3,37 = Rm + 1

Rm =-4,37

Karena disini terlihat nilai refluks minus, maka pada distilasi tidak dilakukan

refluks.

5). Penentuan stage minimum

Nm = -0.7 plate

Jumlah plat minimum = 0 plate

Keterangan:

Nm = jumlah plate minimum

(Xlk, Xhk)d = fraksi mol komponen light key dan heavy key distilat

(Xlk, Xhk)w = fraksi mol komponen light key dan heavy key bottom

α lk.avg = relatif volatilitas rata-rata light key

Dari perhitungan diatas terlihat tidak dibutuhkan plate pada menara distilasi.

Penentuan plate Aktual

(perrys,prs 13.31)

L

DR

avLK

WLK

wHK

DHK

DLK

m

Wx

Wx

Dx

Dx

N,

,

,

,

,

log

.

.

.

.log

5.0

min 1*

2.11711

4.5411

1

Exp

N

NN

F. 51

L

DR

53,4052

64,1211R

R = 0,3

)1(

min)(

R

RR

)13,0(

))37,4(3,0(

6,3

Dari kondisi ini maka dipilih jumlah plate teoritis (N) = 0

Menentukan volume reactor distilasi

dt

dXNaoVrA )( …………………………….(17)

Persamaan (17) dan (2) menjadi

5.0

min

)6,3(

1)6,3(*

)6,3(2.11711

)6,3(4.5411

1Exp

N

NN

865,111

)37,4(

N

N

)1(865,037,4 NN

37,4865,0865,1 N

8,2N

F. 52

KT

T

P

P

X

XX

X

VoNAo

k

dXdt

N

V

oo

Ao1

)140(

139

)1()1(

)1(1

2

22

2

KP

PXX

Vo

Nk

dXdt

N

V

o

AoAo 1

)140(

139)1(1

2

22

2

KP

PXX

dXdt

N

V

Vo

Nk

o

Ao

Ao

1

)140(

139)1(

1

2

22

2

KP

PXX

dXdt

V

VNk

o

o

Ao

1

)140(

139)1(

1

2

22

2

dtV

VNk

KP

PXX

o

Ao

o

2

2

22

11

)140(

139)1(

dX

Penyelesaian simson rule. Y =Δx/3 (Σf(X))

Σf(X) = yo + (4 x y1) + (2 x Y2) + (4 x y3) + y4

penyelesaian dengan persamaan simson rule

ΔX 0.2375

x Y 1/Y f(X)

0 1 0 0

0.2375 0.943593538 1.059778 4.239113

0.475 0.774374153 1.291365 2.582731

0.7125 0.492341844 2.031109 8.124436

Diselesaikan dengan simson rule

F. 53

0.95 0.097496611 10.25677 10.25677

Σf(X) 25.20305

Hasil simson rule 1.995241

1,995 = tV

VNk

o

Ao

21

tNk

VV

Ao

o

1

995,12

jamjamkmol

L

m

kmolL

mV

min60117,042,2

10

min44,10

77,2995,133

23

331,86 mV

Tinggi Reaktor

Tinggi reactor (h) =A

V

Tinggi reactor (h) =

4

2D

V

Tinggi reactor (h) =

4

)7,1(14,3

31,862

3

m

m

Tinggi reaktor (h) = 38 m

Tinggi Kolom distilasi = Tinggi Reaktor (h) – Tinggi reaktor fixed bed (z)

= 38 – 3,11 = 34,89 m

Menghitung Tebal dan Diameter Tutup Reaktor

Digunakan Torispherical Dished (Tekanan operasi > 200 psi)

F. 54

Tebal top dihitung dengan persamaan :

C0,2P2fE

P.r.Wt h

(Pers. 7.77 Brownell &Young, 1959)

125,0018,00.20.75337302

2,3422081 0,018t h

th = 0,125 in

dipilih tebal standar = 3/16 in

Keterangan :

th = Tebal vessel, inchi

p = Tekanan desain reaktor, psi

E = Efisiensi pengelasan, 0,75

d = Diameter dalam shell, inchi

f = Tensile strength, psi

C = Corrosion allowanced, 0,125 in

V = Stress-intensification factor

Dari Tabel 5.7 B & Y untuk OD = 30 in dan th = 3/16 in :

icr : inside radius corner = 1 7/8 in

r : radius dish = 30 in

Dari Tabel 5.8 B & Y untuk th = 3/16 in

sf : straight flange = 2 in = 0,0508 m,

sehingga

Diameter top = OD + 24

OD + 2 sf + 2/3 irc (Persamaan 5.12 B & Y, 1959)

= 35,5 in = 0,9017 m

Spesifikasi top :

F. 55

t

a

ID

r

sf

OA

icr

B

b=depth

of dish A

OD

C

Gambar.F.6. Spesifikasi tutup

Keterangan :

th = Tebal tutup (in)

icr = Inside corner radius ( in)

r = Radius of dish( in)

sf = Straight flange (in)

OD = Diameter luar (in)

ID = Diameter dalam (in)

b = Depth of dish (in)

OA = Tinggi tutup (in)

Menghitung Spesfikasi top :

Depth of dish (b)

F. 56

22

2icrIDicrrcrcb

(Brownell and Young, 1959.hal.87)

= 4,8678 in

Tinggi tutup (OA)

OA = th + b + sf

= (3/16 + 4,8678 + 2) in

= 7,0553 in

= 0,1792 m = 0,5879 ft

C. Merancang Koil Pemanas

Reaktor beroperasi secara isotermal. Karena reaksi endotermis, panas yang

dibutuhkan reaksi harus ditransfer (diserap) ke reaktor untuk mencegah

penurunan temperatur. Koil pemanas digunakan untuk menjaga temperatur

reaktor pada 275 oC.

Pertimbangan penggunaan koil :

Koil bisa langsung bersinggungan dengan fluida, sehingga trasfer panas

bisa efektif

Luas transfer panas koil bisa diatur

Panas tercampur lebih homogen didalam fluida

Paling murah (Kern, 1950, pp. 720)

Digunakan Steam sebagai pemanas pada reaktor :

Kebutuhan Pemanas :

Massa steam = 14.895 kg/jam = 32.838 lb/jam

F. 57

Sifat steam pada suhu rata-rata = 325 oC

ρ = 11,11 lb/ft3

μ = 0,002 cP = 0,005 lb/ft.jam

Cp = 2.412,2 Btu/lboF

k = 1,1 Btu/jam.ft.oF

Trial pemilihan pipa standar (Tabel. 13, Timmerhaus, 1991) :

Dipilih tube :

NPS = 1 in

OD = 1,32 in = 0,11 ft

ID = 1,049 in = 0,087417 ft

at” = 0,344 ft

2/ft

a’ = 0,864 in2/tube = 0,006 ft

2/tube

Hot Fluid oF Cold fluid Temp. diff

oF

662 Higher Temp 527 135 Δt2

572 Lower Temp 527 45 Δt1

90 Temp diff 0 90 Δ(t2 – t1)

Sehingga :

1

2

12LMTD

tt

Ln

ttΔΔT

= 81,92 oF

- Fluks Massa Pemanas Total (Gtot)

Gtot = '

ta

w

F. 58

= ft 0,006

jam

lb838.32

2 = 5.473.000 lbm/ft

2.jam

- Fluks Massa Tiap Set Koil

Gi = cc v

Kecepatan medium pemanas di dalam pipa umumnya berkisar 1,5-2,5

m/s.

Dipilih : Vc = 2,5 m/s = 8,20 ft/s.

Gi = cc v

Gi = 11,11 x 8,2021 = 91,1253 lb/s.ft2

= 328.051,08 lb/jam.ft2

- Jumlah Set Koil (Nc)

i

totc

cG

GN

,

koilsetkoilsetNc 1768,16328.051,08

5.473.000

- Koreksi Fluks Massa Tiap Set Koil (Gi,kor)

c

totc

koriN

GG

,

,

2

, ./1764,941.32117

5.473.000ftjamlbG kori

- Cek Kecepatan Medium Pemanas (Vc,cek)

c

i

cekc

GV

,

F. 59

smjamftV cekc /5,2/55,527.2911,11

328.051,08,

(masuk dalam range/memenuhi standar 1,5 − 2,5 m/s)

- Beban Panas Tiap Set Koil (Qci)

Asumsi : beban panas terbagi merata pada tiap set koil

Qc = 1814504,5680 kj/jam

= 1719818,4944 Btu/jam

c

c

ciN

QQ

jamBtuQci /114.27317

4.642.937

- Luas Perpindahan Panas Tiap Set Koil

LMTDD

ci

ciTU

QA

245,44

)92,18)(75(

273.114

ft

Aci

- Jarak Antar Pusat Koil (Jsp)

Jsp = 2 x ODkoil

Jsp = 2 x 0,11

= 0,22 ft

- Panjang Satu Putaran Heliks Koil (Lhe)

Lhe = ½ putaran miring + ½ putaran datar

F. 60

hehehe drL ..2/1..2/1

Diameter spiral atau heliks koil = 0,7-0,8 Dv (Rase, 1977)

Dspiral (dhe) = 0,8 (5,9357 ft)

= 2,0337 m

= 6,6724 ft

hesphehe dJdL .2/1)(2/1 2/122

ft

xLhe

9570,20

6724,62/1)22,06724,6(2/1 2/122

- Panjang Koil Tiap Set (Lci)

"

t

ci

cia

AL

ft

Lci

0977,271

344,0

43,7216

- Jumlah Putaran Tiap Set Koil

he

ci

pcL

LN

putaranputaran

ft

ftN pc

60647,6

9570,20

127,0977

- Koreksi Panjang Koil Tiap Set

Lci,kor = Npc x Lhe

Lci,kor = 6 x 20,9570

F. 61

= 125,7422 ft

- Tinggi Koil (Hc)

Hc = Jsp x OD x Nc

Hc = 0,22 x 0,11 ft x 17

= 0.327 ft

= 0,09965 m

- Volume Koil (Vc)

Vc = Nc ( 4/ (OD)2 Lci)

Vc = 17 ( 332 0,573,207422,1250,114/ mft

Cek tinggi cairan setelah ditambah koil (HL)

Tinggi koil harus lebih kecil dari pada tinggi cairan setelah ditambah koil agar

seluruh koil tercelup dalam cairan

HL = 2

4/ vessel

koilcair

D

VV

= )69,1(4/14,3

0,5741,02

= 0,45 m

HL = 0,45 m > Hc = 0,09965 m, berarti semua koil tercelup semua di dalam

cairan

- Koefisien transfer panas fluida sisi dalam tube:

hi =

1/3

p

Hk

μC

ID

kJ

(Pers. 6.15, Kern)

F. 62

NRe = μ

.GID t

= 0,63151

167))(486797,3(0,087417 = 67385,0945

JH = 170

hi =

1/3

0,35432413

,631)(0,0011)(0

0,087

0,35432413170

= 86,6538 Btu/ jam.ft2 oF

Maka hio koil = hio pipa ( 1 + 3,5

spiralD

koilD

= 86,6538 ( 1 + 3,5

5,2990

0,087417

= 91,6571 Btu/hr ft oF

koefisien transfer fluida sisi luar koil :

ΔT = 302 – (-28,3) = 330,3 °F

tf = (302 + (-28,3))/2 = 136,85 °F

OD

T= 330,3/1,32 = 250,2273

ho = 116

25,023

OD

TxCxxkf

f

f

(pers 10.14 Kern 1950)

Dari Fig 10.4 Kern diperoleh

xCxxk 23

= 0,014

Maka ho = 116 (0,014 x 250,2273)0,25

= 158,6988 Btu/hr ft oF

Menghitung clean overall coefficients (Uc)

F. 63

Uc = ioo

ioo

hh

hxh

= 6571,19158,6988

6571,196988,581

x

= 58,1008 Btu/jam ft2 oF

Diambil Rd = 0,001 ( Tabel 12 Kern, 1950 )

UD =

Rd

U c

1

1

=

001,0

58,1008

1

1

= 54,9105

Batasan UD untuk light – light organik adalah 40-75 maka nilai UD yang

didapat dari hasil hitungan adalah 54,9105 memenuhi batas.

- Cek Dirt Factor

Dari tabel 12 Kern, 1965, Rd ketentuan untuk Steam = 0,002

Syarat : Rd < Rd ketentuan

Dc

Dcd

xUU

UUR

)(002,00,00119105,451008,85

9105,451008,85memenuhi

xRd

- Cek Pressure Drop

Syarat : < 2 psi

F. 64

c

i

ei

GIDR

Rei = 0808,369330,6315

6583,4339820,087417

x

Faktor friksi :

42,0

264,00035,0

eiRf

5

42,0108116,6

0808,36933

264,00035,0 f

- Pressure Drop

IDg

LGfP

c

ii

..2

...42

2

psix

P 6705,0)0,087417)(12,94)(1018,4(2

1672,331)6583,433982)(10.8116,6(428

25

kesimpulan

Alat Reaktor destilasi

Kode R-302

Fungsi Tempat mereaksikan bi-(hydroxyethyl) terephtalate

(BHET) sebanyak 5.262,65 kg dengan sesamanya

membentuk polimer Polyethilene Terephthalate

(PET) dengan bantuan Katalis Sb2O3 (Antimony

Trioxide), sekaligus memisahkan produk PET dengan

Ethylenen glicol (EG)

Bentuk Silinder tegak (vertikal) dengan dasar dan atap (head)

berbentuk torispherical

F. 65

Bahan Stainless steel Grade SA-240 tipe 304

Suhu 275 °C

Tekanan operasi 0,1 atm

Dimensi kolom Diameter : 1,69 m

Tinggi reactor fixed bed : 2,205 m

Tingggi kolom distilasi : 35,8 m

Tebal dinding : 0,125 in

Jumlah 1